激光的原理特性和应用.doc

第二章 激光与半导体光源 激光的原理、特性和应用 发光二极管与半导体激光器 2-1 激光的工作原理一、光的发射与光的吸收 当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之差部分以光子形式发射出去，称光的发射； 当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量，称光的吸收。 光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率光发射的三种跃迁过程1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。二、粒子数反转与光放大当一束频率为 的光通过具有能级E1和E2（假定E2E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原子数为N1、 N2（正常情况下N2 N1），有 dN21/ dN12 =B N2/ N1， 比例系数B与能级有关。 1、 N2/ N11时，高能级E2上原子数少于低能级E1 上原子数（称正常分布），有dN21 1时，高能级E2上原子数大于低能级E1上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 dN12，表明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I0为z=0处的光强三、激光的工作原理1、光学谐振腔 作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的 方向性和单色性、高亮度的激光束。 光学谐振腔是产生激光的必要装置之一。 结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两个反 射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜,下图 稳定腔：近轴光线在谐振腔内部多次来回反射 时，光线离轴的高度不会无限增大，称此 腔为稳定腔。 问题：什么结构的谐振腔才是稳定腔？ 稳定条件：两镜的距离（称腔长）为L，曲率半径 为R1、R2，光学谐振腔的稳定条件为 不满足上条件的腔称非稳定腔。非稳定腔 光线逸出的多，又称高损耗谐振腔。 R1=R2的稳定腔称对称腔。2、激光产生的阈值条件 光在谐振腔中的工作物质里传播时，会存在各种损耗，只有当光在腔内来回一次所得到的增益大于或等于各种损耗之和时，才可能形成激光输出。 如图，设AB反射镜的反射系数为r1、r2，在A镜面处光强为I0，在增益介质中传播L距离到达B镜面，光强为G为增益系数。经B镜反射后，光强减小为 ，此光强的光又经过L距离返回到A镜，光强变为 ，经A镜反射后光强变为 。这样经过一个来回，光线能继续增强传播必须满足 ，称 为形成激光必须满足的阈值条件 3、激光的损耗 激光的损耗包括两方面：在工作物质内部的损耗和在反射面上的损耗。 在物质内部的损耗包括：a介质的不均匀性造成光线的折射或散射，使得光线偏离轴线方向飞出腔外。气体激光器中这类损耗较小，固体激光器中这类损耗较大。b介质中存在某些能级差正好与激光频率对应，引起光能吸收。 在谐振腔两镜面上的损耗主要包括：光线从镜透出去和两镜面对光的吸收。 令总损耗系数为 ，等于单位距离内光强的损耗率，则在传播过程中光强的变化为： 考虑损耗时，阈值条件改写为 激光的工作原理：在介质中存在粒子数反转的情况下，当增益一旦超过损耗时，光强将以指数形式增加，随着光在两反射面之间的来回反射，放大过程不断重复，就可得到激光。这束光的一部分由激光谐振腔的前端镜射出。 产生激光必须具备下列条件： 稳定的光学谐振腔； 光在谐振腔内传播满足阈值条件 ； 外部能量泵浦使粒子数反转分布 问题1 光在介质中的放大一直持续下去？ 问题2 怎样实现粒子数反转？ 问题3 一个激光器只发射出一个波长的激光？ 答1 不会。因为每经过一次受激跃迁，粒子数反转程度都要降低，当增益不再超过损耗时，放大就停止。 答2 用外界光子去激发处在低能级的原子，使原子处在高能级上，实现粒子数反转分布。这种用来激发低能级原子向高能级跃迁的作用称泵浦。四、激光的特性 激光与普通光源发射的光相比，具有方向性好，相干性好，亮度高，单色性好的特性。 1）方向性好：普通点光源发射光为4 立体角，面光源发射光的立体角为2 ，而激光发射光的立体为角 。 2）高亮度：由于激光发射的立体角很小，所以它的亮度高，比普通光源亮20个数量级。 3 ）单色性好：激光的谱线宽度可小于而单色性最好的普通光源的谱线宽度在 以上。单色性要考虑谱线宽度 及其相对比值 4）相干性好 时间相干性：在空间同一点上，两不同时刻的光波之间的相干性。相干时间越长 ，相干性越好，相干图象越明显。时间相干性取决于光的单色性，相干时间等于光谱宽度的倒数。 空间相干性：同一时刻，两不同位置点上的光波的相干性。空间相干性取决于光的方向性，相干长度与光束的发散角成反比。 激光的相干长度 在100m以上，比普通光源的大1000倍，相干时间比普通光源的至少大10000倍。五、激光器的种类与结构 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染料作为激光器的工作物质。 三种激光器的典型结构 1、固体激光器 以红宝石激光器为例， 结构右图。在工作物质红宝石(Al203)中掺入少量铬离子，红宝石棒一端磨平并镀银成为全反射面，另一端面半镀银成为能透射的部分反射面。螺旋形闪光氙灯作为激励光源(泵浦源)，上下反射器起聚光作用。激活离子铬离子替代晶体中部分Al离子位置，氙灯发出激励光时，被处于基态的铬离子吸收跃迁到高能级，向低能级跃迁发射光子经红宝石放大产生激光。受激发射的光波长单一？如何实现单色出射光？2、气体激光器 以氦氖激光器为例。工作物质为8:1混合气体密封在放电管A内，激励源是3kV以上的直流电源经C、C接入采用反射峰在 的反射面，可抑制其他波长光波的谐振 ，得到单色出射激光。 其中 由什么决定？反射面如何实现反射峰在 处？ 3、染料激光器平面光栅的作用：改变光栅的倾斜角度，用来调节光栅衍射角，使某一波长的光能在谐振腔纵轴方向产生衍射极大而形成光振荡，出射单一波长的激光。 若连续改变光栅的倾斜角，可实现连续可调的激光输出。 总之，受激发射产生的光子含有不同波长成分，可采用反射面的确定反射峰或光栅衍射极大来实现单一波长的激光输出。 六、激光的应用 世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。激光的应用主要包括 ： 激光加工系统:包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。 在未来推动光电产业快速发展的进程中，激光技术与其他技术应用领域的结合有以下方面：激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。 新型激光武器研究：激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。激光武器的优点；无需进行弹道计算；无后坐力；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染，效费比高。 2-2 半导体光源 一、能级的基本概念 能级：电子在原子的各层轨道上运动，在每个轨道上都具有一定的能量，称能级。固体和气体介质的能级是分立的。 能带：原子很多时，所有电子能级分裂，形成一组密集的、有一定宽度的带状结构，称能级带，简称能带。半导体材料的能级是能带。 能带分为价带、导带和禁带（带隙）。下图导带：自由电子能带，没有自由电子时导带是空的价带：共价键束缚电子所占据的能带。价带被电子填满，是不导电的。禁带：导带与价带之间的能带，又称带隙，电子不存在的区域。价电子获得足够的能量就成为自由电子，从价带跃迁到导带，此时在价带上留下空穴位置。半导体的禁带 比绝缘体小，导带上有少量电子；导体无禁带。如下图。 二、半导体中的能带结构 半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体的导电性能发生显著变化。若掺入的杂质能给导带提供电子，称N型半导体，如掺入的杂质是锡、碲等；若掺入的杂质能给价带提供空穴，称P型半导体，如掺入的杂质是锗等。 电子占据各个能级的几率是不同的，在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的几率为其中 EF称费米能级，是绝对零度时电子具有的最大能量。温度T越高，f（E）越大，表明温度越高电子占据在能级E上的几率越高。 一般认为，在温度不很高时，能量小于EF的能态基本上为电子所占据，能量大于EF的能态基本上没有被电子占据；电子占据费米能级的几率均为1/2 当P型半导体与N型半导体结合后，在它们之间出现了电子和空穴的浓度差，电子和空穴都要从高浓度的地方向低浓度的地方扩散，导致P区失去空穴而留下带负电的离子，N区失去电子而留下带正电的离子。由于物质不能移动，在接触面附近就形成一个很薄的空间电荷区，称P-N结。P-N结内电场由N指向P，内电场的方向与多数载流子扩散方向相反，起阻挡扩散的作用，称为势垒。 在P区接电源正极，N区接负极，外加电场与内电场反向，外电场使N区电子向P区移动，即电子从低能级向高能级移动（势垒就是带隙），实现粒子数反转分布。P区可看作导带区，N区可看作价带区。 P-N结又称有源层。 三、发光二极管（LED ) 发光二极管直接把电能转换成光能，是电致发光，越过带隙的电子与空穴直接复合而发射出光子。是一种冷光源，没有热转换过程。 不同的P、N材料制作的发光二极管，发出的光波长不同。在光纤系统中采用的发光二极管的波长要求在光纤低损耗区，还要求亮度高，工作稳定，调制效率高。为了光纤通信和传感系统应用方便，生产出带有尾纤的发光二极管。 由于LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发发射为主的。发射光谱曲线上光强最大对应的波长为发光峰值波长 ，光谱曲线上两个半光强点 和 对应的光强差称为谱线宽度 发射波长不同，目前LED分为三个波段：可见光LED(400-700nm)、近红外短波LED (800-900nm)近红外长波长LED (1000-1700nm) ，可见光LED主要用作指示灯、数字和字母显示等，后两个波段的LED主要用于光纤通信。 光纤通信用的LED一般为高功率LED，通常采用以GaAs为衬底其结构形式有面发光型和边(又称侧面 )发光型，分别表示从平行于结平面的表面和从结区的边缘发光。 当在规定的正向直流工作电流下，对LED施加数字脉冲或模拟信号驱动电流，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，见下图。四、半导体激光二极管(LD) 半导体激光二极管，简称半导体激光器，是通过受激辐射发光的一种阈值器件，适合用作高速、大容量、长距离光纤通信系统的光源。1 粒子数反转与光增益：在LD中通过向N、